微功率无线网络定位方法及系统

微功率无线网络定位方法及系统

技术领域

本发明涉及定位技术，特别涉及无线网络定位方法及系统。

背景技术

定位技术到目前为止，都是采用的无线信号定位的方法。现有定位系统，基本上可以分为以GPS为代表的定位系统和以移动通信网络为代表的无线网络（包括GSM、CDMA网络）定位系统。

GPS定位技术的基本原理是：被定位物体，通过与之相连GPS接收终端，同时接收四颗（至少三颗）GPS卫星发来的定位信号，再计算出该物体所处的经纬度和高度位置坐标（X，Y，Z），从而实现定位的。但这种X，Y，Z位置坐标信息，在许多实际应用中，往往还需转换为我们所熟悉的地理位置信息，例如街道名称，具体参考地点等，才能真正方便使用。在对移动目标，例如车辆定位时，还需要将所算出位置信息，通过现有移动通信网络终端传给控制中心。才能真正到达定位的目的——对车辆的监控。简单的讲，就移动目标定位而言，GPS 定位系统至少需要由GPS卫星，GPS接收机、移动通信网络和移动终端（GMS 或CDMA收发模块）和监控中心组成。GPS定位系统的缺点，除了建立定位系统的成本及运营成本高以外（包括移动网络使用费），它的使用在城市中还受到极大的限制。因为使用GPS设备的重要前提之一，是接收机与卫星之间有直射路径，而GPS在建筑物密集的城区及建筑物内部存在信号接受盲区。另外GPS 定位还要受到多径效应和许多其他因素的影响，包括初始定位信号捕获时间较长等（通常为0.5～15min）。现场实验表明，在高楼林立的城市，安装GPS接收机的公交车辆，能够正常接收GPS定位信号的概率大约为70％左右。在一些特殊场合，如钢筋混凝土建筑物内、地下室或矿井中，甚至完全收不到GPS信号。基于移动通信网络的定位技术，除了要对现有移动网络的布置，网络基站和移动终端的软件和硬件做较大的改变外，它的使用，还要受到城市中非视距传播、多

径效应和多址干扰等因素的极大影响。在网络布置上，一般要求移动终端，能够同时与3个或3个以上基站，进行直接通信，通过各种复杂的测距、测向来确定移动终端的位置。而现有通信网络系统主要用于通信目的，设计时考虑到移动终端仅与一个基站联系就能完成通信功能，仅在小区边沿需要切换时，才与邻近几个基站联系，其基站密度达不到定位要求。所以，除非进行大量投资改造，现有通信网络很难满足定位要求。

综上所述，现有定位技术的主要缺点是，结构复杂，投资大，运营费用高，不能在复杂的城市环境条件下，满足许多实际应用的需要。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题，就是针对现有定位系统结构复杂，成本高，运营费用高的缺点，提供一种不依赖于GPS和现有移动通信网络的，简单，经济实用的微功率无线网络定位方法和定位系统。

它包括以下步骤：

a．在需要定位区域内，建立一个由控制中心，和若干具有固定位置的微功率收发机，组成的无线网络通信系统. 每一个收发机就是一个网络节点。在定位区域图上，对每一个网络节点的位置加以标识。如图1所示：

图1 微功率无线网络定位系统

b．对需要定位的移动目标进行标识，并在移动目标上安装微功率定位信号发射机；

c．建立网络节点与移动目标之间，以及网络节点与控制中心之间的通信联系；d．根据网络节点是否接收到某个移动目标的定位信号，以及接收到的定位信号的强度大小，从相关节点的位置来确定该移动目标的位置；

特别是，对于以Zigbee为代表的微功率无线通信网络，步骤a中的网络节点就是FFD（主节点）；步骤b中的移动目标就是RFD（子节点）。

本发明的微功率无线通信网络定位系统中：

所述网络节点收发机中的接收机部分，用于接收带有移动目标身份标识的定位信号，它与移动目标所载的发射机，共同完成系统的定位功能；

所述网络节点上的收发机（包括接收和发射两部分），控制中心的计算机，

以及网络通信管理软件，共同组成网络的信息传输系统；

所述控制中心计算机，存储有每个节点的地址，每个移动目标的身份识别信息以及网络管理软件；

所述微功率收发机和发射机，是指由高度集成的芯片收发机(Transceiver IC)或芯片发射机(Transmitter IC)制成的，（其功率应小于100豪瓦）可以直接安装在户外，或随身携带的微型收发机和发射机。

所述网络节点收发机，一般应具有定位信号强度显示功能；

所述网络中的节点，应具有自动中转来自其它节点包括主节点和子节点的信息的功能；

所述无线通信网络具有多种结构形式：星型，树状，网状以及混合型等拓扑形式，如图2所示：

星型结构串状结构

网状/网状混合结构

图2微功率无线定位网络的拓扑结构

本发明的有益效果是系统结构简单，安装方便，投资少，成本低，技术成熟，不需要复杂的信号测量和计算，就能够满足实际定位需要；系统本身既是一种定位网络，也是通信网络，降低了运营费用，并能够提供多种网络服务。

具体实施方式：

下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。为便于理解本发明的技术方案，先将与本发明有关的几个概念简介如下：

无线信号的传输：在开阔空间条件下，一个无线发射机通过天线发射一定功率的射频信号，某点的射频信号强度，与该点距发射天线的距离的平方成反比，我们可以用公式：Tr=KQ/R2来表示。这里Tr代表距离发射机R处的信号强度，Q代表发射机天线端的信号强度，而K则可以简单考虑为衰减系数，主要取决于发射和接收天线的高度，射频信号的频率，传输途径环境条件等因素。在一般要求不是很高，环境条件不是非常复杂的小范围内，我们可以将它当作为一个常数。图3 无线信号强度与发射点距离的关系：

图3 无线信号强度与发射点距离的关系：

发射机的信号覆盖半径Ra：无线接收机B能否收到另一个相隔一定距离，使用相同信道和通信方式的无线发射机A所发射的信号，既取决于发射机A所发射的信号到达接收机B处的信号强度Tb，也取决于接收机B的接收灵敏度Brs。当Tb大于Brs时，B便可以收到A的信号。我们将距离A某个位置处的

信号强度，刚好等于接收机B的接收灵敏度Brs时的距离Rab，称作为A相对于接收机B的覆盖半径。Rab随Tb的增大和Brs值（接收灵敏度的提高）的减小而增大。

图4 发射机A相对于B的覆盖半径

接收机的定位半径Rba：当A的位置固定，A的发射功率和B的接收灵敏度一定时，B只有当处于一个以A为圆心，Rab为半径的一个固定范围内时，才能接收到A的信号。反之，将B的位置固定，则只有当A进入到一个以B为圆心，Rab为半径的一个固定范围内时，B才能接收到A的信号。在一般情况下，这个半径Rab必须在经验和估算的基础上，经过现场实际测量得出。这个半径也就是B相对于发射机A的定位半径Rba（Rab＝Rba）。在现场可以通过实测和公式Tr=KQ/R2算出定位点B定位范围内K的粗略值。B接收到的信号越强，A 离B就越近。如图5所示：

图5 接收机B定位半径（相对于发射机A）

信号指纹：在地形复杂（例如建筑物密集）的区域定，无线电信号对地形

和传播时障碍物具有依赖性，因而呈现出非常强的接收站点特殊性。因此对于每一个接收点来说，该信道的多径结构对每一个位置是惟一的，如果同样的射频信号被从该位置发射，这样的多径特征（包括强度，方向，时间等）可以被认为是该位置的信号指纹。我们通过在相邻几个网络站点，测量在某个具有标识性位置范围内，移动目标所发射出的射频信号的强度（为了简单实用的考虑，我们只测信号强度，但通过多点来测量），找出它们的变化模式和变化范围，并建立这个特定位置区域的指纹。每一个站点所测得的信号强度，将被当作为确定该发射位置的一个定位分量，能够测到这个信号的站点越多，定位分量越多，发射位置就越能被唯一的确定，当然工作量也就越大。实际上，由于我们的定位只是一个标识性区域范围的定位，绝大多数情况下，往往两个或三个定位分量就足以唯一确定移动发射目标的位置范围。因而，一般我们只选取三个最大的网络站点的信号，来建立某特定区域位置对应的信号指纹（三个分量）的变化范围（它可以用一个特征参数值来表示）。当三个强度分量仍不足以与某一个位置区域建立唯一的对应关系时，我们可以通过在该区域增设一个定位网络节点，从而增加一个信号强度定位分量来解决。如图6所示：

图6 信号指纹

定位系统：如前所述，本发明的定位部分是由网络节点收发机的接收机部分，和移动目标的发射机共同组成。对于给定节点，其定位范围只与它的接收机的灵敏度和移动终端的发射功率有关。因而我们既可通过调整移动终端的发射功率，也可通过改变该节点的接收机灵敏度，来改变它的定位范围的大小。在定位

区域内的局部地区，环境条件可能比较复杂，往往需要增加定位节点的密度，并缩小节点的定位范围，以满足定位精度的要求。

Zigbee网络：Zigbee主要是为工业和家庭自动化为目的，而制定的一种新的无线网络通信标准。特点是低成本，低功耗，低数据量和高集成度。它本身是一个信息传输网络，要将它用作为一个定位网络，我们只需Zigbee系统中的网络主节点FFD作为定位系统中的网络节点，网络子节点RFD作为移动终端；同时，为了更有效的利用Zigbee网络来定位，我们需要根据实际定位的需要，调整主节点和子节点的接收灵敏度和发射功率，以使网络节点的通信范围，和定位精度范围都能满足实际应用的需要。这往往需要增大主节点的发射功率,减小子节点的发射功率，以及可能的主节点接收灵敏度的调整。另外，我们还可以保留子节点的接收功能，以便在实际定位应用中，控制中心和移动目标可以进行相互通信。

本发明定位方法

根据前面所述定位步骤d中所介绍的定位原则，这里介绍三种最基本的具体定位方法：

几何中心法：

当移动目标A发射的定位信号仅被某一节点B收到，几何中心就是节点B。移动目标A处于以B为圆心，以定位半径Rab (B相对于A的定位半径)为半径的圆周范围内，或半径为Ra2＝（KQ/Tr2）1/2的圆周上，如图5所示。可以看出，节点所收到的信号Tr越强，则Ra2越小，移动目标A越接近节点B，定位精度越高。这种情况同样适合以定位信号最强的节点作为移动目标位置的定位方法。上述情况可以看作其他节点定位信号强度为0。

图7显示了2个和3个节点使用几何中心方法定位的情况：左图中节点A

和B收到了移动目标的定位信号，或者节点A、B上的定位信号强度大于其他节点上的定位信号强度。这时我们以节点A、B的几何中心——节点A、B连线的中点作为移动目标的位置。

图7 使用相关节点几何中心定位的情况

右图是3个节点定位的情况，图中节点A、B、C都收到了移动目标的定位信号，或者节点A、B、C上的定位信号强度大于其他节点上的定位信号强度。这时我们以节点A、B、C的几何中心——即

△ABC三条中线的交点作为移动目标的位置。

K值定位法：

在定位区域内，有时需要更准确的了解移动目标的位置，此时，可以利用定位节点所显示的信号强度，再通过现场简单实测，建立这个区域定位信号衰减系数K的数学模型，利用公式ra＝（KQ/Pra）1/2，计算出移动目标与节点之间的距离ra。如图8所示：

图8 通过衰减系数K和所测信号强度计算位置

在定位精度要求更高时，可通过同时采集该区域内的三个信号最强的网络节点的信号，根据预先建立的K值数学模型，，计算出移动目标与这三个节点的距离，从而确定移动目标的位置，如图9所示。图中，A、B、C为3个定位信号相对较强的网络节点。根据A、B、C的定位信号强度及K值数据，得到a、b、c。以三个节点中，定位信号较强的C、B为圆心，以c、b为半径画圆，如果节点间距小于2倍Rab，c、b必然相交于M、N两点，再以A为圆心，a为半径画圆，必与上述两点之一M接近（存在误差），M即为移动目标位置。

信号强度指纹定位法：

在局部环境复杂或定位精度要求较高的情况下，也可以采用信号指纹特征定位法。该方法需要通过实地测量，建立各个特定区域的定位信号指纹特征数据库（参数与位置的对应关系），本发明采用多点（3点）测量单一参数（信号强度）的方法建立数据库，以求简单。当移动目标进入某个特定区域时，当我们在上述3点上所测的信号强度的组合（特征参数），与数据库中某个特定区域所对应的特征参数一致时，这个特定区域位置就是该移动目标所在的位置。

基于本发明简单，经济实用的特点，对于它所面对的大多数具体问题，采用前述几何中心定位法，一般都能满足实际定位应用的需要。在实际应用中，在许多场合还可通过增加定位节点数目和缩小相关节点定位半径，使用几何中心定位法替代K值法和信号指纹法来解决相关问题。

本发明具体工作步骤：

a. 首先确定需要定位的区域；

并根据定位精度（Rab）要求，建立由微功率收发机和控制中心组成的无线网络，对整个定位区域进行信号覆盖。在特殊情况下，也可采用间隔式的站点覆盖，例如公交车辆运行的固定线路、高速公路上的监控站点等；如图10所示：

图10 高速公路间隔式站点覆盖网络

网络节点的布置必须考虑：在需要对定位区域进行全覆盖的情况下，两个相邻网络节点间的间距应小于它们定位半径之和，以满足定位精度要求；每个节点至少应能与2个以上邻近的网络节点具有直接的无线通信路径，以满足网络通信可靠性的要求（间隔式站点覆盖无此要求）；

每个网络节点上的收发机，在需要使用定位信号强度来确定移动目标位置时，还应具备信号强度显示功能（RSSI）；

在定位区域地图上，还需要建立网络节点相应的位置标识，以满足使用方便的要求。

图11示出了无线网络节点分布示意图，这是一种全覆盖网络的节点分布示意图（为了简单起见，我们假定每个网络节点的定位半径相同,都等于Rab）。图

中每个正三角形的顶点，都是具有固定位置的网络节点，正三角形的边长小于2Rab，节点之间的通信由控制中心（图中未示出）进行管理。注意，这里的三角形不一定是正三角形，每一个节点的定位半径也可以不相等。

其中实线为定位网络中每一个节点的定位范围（我们这里假设它们都相等）

其中虚线为信息传输网络中每一个节点的通信信号覆盖范围（我们这里假设它们都相等）

图11 无线网络节点布置示意图

其中实线为定位网络中每一个节点的定位范围（我们这里假设它们都相等）其中虚线为信息传输网络中每一个节点的通信信号覆盖范围（我们这里假设它们都相等）

b. 对处于网络中的所有需要定位的移动目标进行标识，并安装具有相同发射功率的定位信号发射机，发射功率大小的确定应根据如下原则：在兼顾发射机电池寿命的前提下，在信号传播环境简单的定位区域，至少能保证一个以上的网络节点能够收到定位信号，在信号传播环境比较复杂的定位区域，需要保证三个以上

的网络节点能够接收到定位信号。在间隔式站点覆盖时，发射机的功率只要能保证移动目标通过监控站点时，监控站点可以收到移动目标信号即可，因而，它的发射功率可以小很多，这对使用电池的发射机来讲很重要。

c. 建立移动目标所载定位信号发射机与网络节点上的定位信号接收机之间的通信联系。网络节点间及其与控制中心的联系，既可以通过自身网络通信实现，例如Zigbee网络系统。当然，也可利用其它有线或无线的通信手段来实现。

d. 使用前面所述的定位方法对移动目标进行定位。由于实际定位区域环境条件与理想情况存在一定的差异，我们需要在定位网络系统建立以后，正式使用前，在定位区域内进行现场实测效验。以确定每个网络节点的实际覆盖范围，必要时，包括确定每个节点的K值，和建立个别特殊区域的信号指纹数据库。

本发明定位系统的组成和各部分功能：

本发明的定位系统同时具有对移动目标定位，和将移动目标位置信息，和其它控制管理信息在整个网络上进行传输的功能。

所述网络节点收发机，既用于接收来自移动目标上的定位信号，也用来传递网络信息；

所述定位信号发射机，用于向网络节点发射带有移动目标标识码的无线信号；

所述网络通信管理软件，用于将网络节点组成一个无线连接的信息传输网络；

所述控制中心计算机用于运行网络管理软件，和相关定位信号的处理。

本定位系统各组成部分的获得：

目前市场上有许多高度集成的，具有各种不同性能特征（包括RSSI和功率可调）的微功率发射机，和收发一体机芯片或模块出售，建议使用扩频方式的。本定位系统的优越性和社会经济效益：

本发明结构简单，技术成熟，经济实用。构成本系统网络每个节点的成本

只有几百元人民币，而移动目标发射模块的成本则更低。（而现有一个移动通信基站的造价一般都在百万元以上）；模块发射功率可从0.01毫瓦到几十豪瓦，定位精度半径可从几米到几百米。取决于实际应用场合的具体情况和项目要求，以及成本的考虑。

由于本定位系统的网络节点和移动终端发射机，均采用集成芯片收发机和芯片发射机制造而成，因而成本低廉，体积小，安装灵活方便。网络节点之间的间距可以做得很密，甚至可以做到每个房间一个节点，这样，它就将现有移动通信网络必须要面对的，大覆盖范围内的复杂不均匀信号传输环境，变为小覆盖范围内相对简单均匀的环境，同时大大提高了定位精度。

本定位系统，将现有GPS定位监控系统所包括的定位部分（GPS），和信号传输部分（现有移动通信网络）两者合而为一，从而大大降低了定位系统建设成本和运营成本。因而本发明能以极低的成本，有效地解决城市中许多急待解决的实际定位问题（例如智能公交系统中车辆的定位，矿山井下人员和设备的定位等）。

应用实例说明：

我们以城市中一条公交线路智能化为例来加以说明：

建立网络：首先我们确定所需要定位的区域是沿整个公交线路。假如公交车站之间的距离为600米，我们要求的定位精度为200米半径范围。因而，我们可在每个公交车站点处设置一个无线网络节点，必要时还可在两个车站之间增设一个网络站点（在线路拐弯处需要做适当位置调整，或增加个别节点）。假如整条公交线路上共有26个车站，双向共有50个站点。因而共有网络节点100个。如图11所示。我们可使用前面提到的Zigbee网络软件，或其它无线网络管理软件，将这100个节点（FFD）组成一个无线互联网，每个车站的节点既可以与同方向相邻的上下两个节点进行直接通信，同时又可与反方向的同一个车站相邻的网络节点进行直接通信，这样就保证了通信微蜂窝网络的可靠性。如图12所示：

图12智能化公交车辆定位系统

确定移动目标：我们在每辆公交车上，再安装一个可以与网络节点进行通信的子节点（RFD）收发机。由于定位精度要求不高，往往使用简单节点定位法就够了。此时，只需将安装在公交车上的模块的发射功率适当调小，使得只有有限的一两个网络节点能同时收到它的信号。必要时，也可使用两个车站节点收到的，来自同一辆公交车的信号强度组合（指纹）来决定该车辆的具体位置。另外，还需要将安装在公交车上的收发模块在网络中的无线标识，与该辆车的车号相对应。

建立通信联系：这里我们只需使用Zigbee网络管理软件，就可以建立起移动目标RFD,网络节点FFD，以及网络控制中心之间的通信联系。

定位：当公交车行经某个网络节点附近时，该节点，可能还有其它临近节点将收到，载有该车身份标识的无线信号。这些信号将通过无线网络传往监控调度中心。这样，调度中心将知道该车辆某个时刻在线路上的具体位置，并通过无线网络提前通知车辆的前方到站，并在站台的显示板上加以显示。

优化系统：在保证传输微蜂窝网络通信可靠，定位系统简单准确的前提下，为了降低成本，方便安装，使用和维护，根据具体环境条件，完全可以对网络节

点的数量进行增减，位置进行调整，以达到最佳效果。例如在有条件的地方，网络节点还可安装在街道中央的路灯杆上，兼顾两个方向行驶的车辆等。

现场实测效验：为了避免可能出现的差错，在正式起用定位系统前，还需要实际驾驶车辆，沿公交车辆的实际运行线路，进行实际定位操作，特别是在那些可能存在环境干扰的地段。有时，接收到最大信号的节点，并不一定是离该公交车最近的节点，此时，就需要将定位结果做适当调整，或者增加节点。必要时，还可使用两个节点信号组合来定位的方法等。

本案例中，由于采用Zigbee网络系统，Zigbee系统本身所使用的频段为2.4Ghz的免费频段（ISM），采用的是保密性好，抗干扰能力强的直序扩频通信方式。

经济成本核算：假如这条线路上我们有15辆公交车，连同线路网络节点在内，我们一共需要115个模块。加上终端计算机，软件，显示板，安装费用等，整个系统造价只及GPS方案的几分之一（参见大连公交智能化实验线路）。相比现有用于智能公交的GPS定位系统，本定位系统在技术上更加可靠；在经济上，更加切实可行。不仅大大降低了系统的建设费用，而且，由于不需要使用现有移动通信网络，而避免了现有GPS定位系统每月要交纳的网络使用费。

值得一提的是，尽管我国公交智能化的研究已经由来已久，各地政府部门也将它作为为老百姓办实事的一个题目，许多城市也进行了以GPS定位系统为基础的公交智能化线路实验。然而，由于技术和其它原因（参见交通信息产业杂志2005年第一期刘绪启先生的文章），至今，我们还未看到哪一个城市已经全面实现公交智能化的报道。我们相信，本发明的定位系统，必将在我国公交智能化建设中，发挥十分积极的作用。